畢業(yè)論文-噴管設(shè)計教材

1、本科畢業(yè)設(shè)計論文題目噴射清洗噴槍設(shè)計研究專業(yè)名稱一飛行器設(shè)計與工程學(xué)生姓名劉操指導(dǎo)教師席德科畢業(yè)時間 2006年7月畢業(yè)論計任務(wù)書一題目噴射清洗噴槍設(shè)計研究二 指導(dǎo)思想和目的要求通過本論文工作，使學(xué)生對所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識得到鞏固和提高，了解、熟悉噴射清洗噴槍的理論、工作原理、功能作用以及設(shè)計方法，并進行實際設(shè)計，從而培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計 能力、獨立工作能力以及科研能力，使學(xué)生的專業(yè)業(yè)務(wù)素質(zhì)得到提高。三主要技術(shù)指標(biāo)1熟悉噴射清洗噴槍設(shè)計計算程序，并進行算例設(shè)計。2熟悉、掌握Flue nt軟件使用方法，并使用該軟件對所設(shè)計的噴槍進行數(shù)值模擬。四進度和要求1查閱、熟悉相關(guān)文獻資料，并英譯漢翻譯相關(guān)資

2、料(約 15000字符)。2周2熟悉、掌握噴射清洗噴槍設(shè)計理論、方法，并熟悉計算程序。3周3熟悉、掌握Flue nt軟件，并用該軟件對所設(shè)計的噴頭進行數(shù)值模擬。3周4編寫、完成論文。3周5答辯準(zhǔn)備。1周五主要參考書及參考資料1 楊林，唐川林，張鳳華，高壓水射流技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，洗凈技術(shù)，2004, 2 (1): 914.2 盧曉江，何迎春，賴維，高壓水射流清洗技術(shù)及應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社，NO.1,2006.3 薛勝雄，高壓水射流清洗技術(shù)及應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社4 韓占忠，王敬，蘭小，F(xiàn)LUENTS體工程仿真計算實例與應(yīng)用，北京理工大學(xué)出版社.李玉柱，苑明順，流體力學(xué)，高等教育出版社沈忠厚著，水射

3、流理論與技術(shù)，北京：石油大學(xué)出版社，1998.7 阿勃拉莫維奇，實用氣體動力學(xué)，梁秀彥譯，北京：高等教育出版社，1995.8 徐華舫，空氣動力學(xué)基礎(chǔ)，北京：國防工業(yè)出版社.9 （英）羅姆哈姆著，偉大的科學(xué)實驗，廖啟端譯，北京：科學(xué)普及出版社，1985.10 Reshhoto,E.,Tucher,M.:Approximate Calculatio n of Compressible Bonu drary-LayerWith Heat Tran sfer and Arbitrary Pressure Gradie nt,NACA TN 4.學(xué)生一劉指導(dǎo)教師系主任目錄摘 要 1ABSTRAC-T2第

4、 1 章 緒論 31.1 研究的目的和意義 31.2 噴射清洗噴槍的研究現(xiàn)狀 31.3 本論文主要工作 4第 2 章 兩種工業(yè)物理清洗簡介及機理 52.1 干冰清洗 52.2 高壓水射流清洗 6第 3章噴管設(shè)計理論 93.1 基本理論 93.2 收縮段設(shè)計 93.3 擴張段設(shè)計 103.4 特征線法簡述 133.5 噴管型線的確定及附面層修正 143.6 小結(jié) 15第 4 章 噴管設(shè)計程序介紹及算例設(shè)計 163.1 噴管設(shè)計程序 163.2 算例設(shè)計 17第 5 章 數(shù)值模擬 185.1 Fluent 軟件簡介 18205.2 用 Gambit 建立模型5.3 用 Fluent 軟件進行數(shù)值模

5、擬 22第 6 章 結(jié)果分析 23致謝 - 24參考文獻 25附錄 1：擴張段計算程序 26附錄 2：收縮段計算程序 48附錄 3：后處理程序 52附錄 4：數(shù)值模擬結(jié)果 53附錄 5 ：程序計算結(jié)果 54西北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文摘要本論文旨在對噴射清洗噴槍進行設(shè)計研究。噴射清洗在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，對此開展 研究，提高其效能，具有重要的經(jīng)濟和工程應(yīng)用價值。首先，介紹了兩種工業(yè)物理清洗 一一干冰清洗和高壓水射流清洗原理及機理；其次，論述 了噴槍的核心一一噴管的設(shè)計理論，主要包括收縮段設(shè)計、擴張段設(shè)計，同時簡述了特征線法、 噴管型線的確定及附面層修正方法；另外，介紹了本論文使用的一個噴管型線設(shè)

6、計程序，并用 該程序進行了算例設(shè)計；最后，用 Gambit建模，用Flu net軟件進行數(shù)值模擬，并對結(jié)果進行 了初步分析。關(guān)鍵詞：噴槍噴管程序設(shè)計數(shù)值模擬Flue nt-15 -ABSTRACTThis article is mainly about the design and the research of the cleaning spray gun, lying in the fun dame ntal research, the program ming and the software applicati on emphatically. By mak ing the compa

7、ris on of the result of the procedure moveme nt result and the software iterative computati on, thus we make the related con clusi on.Therefore the present paper introduced the dry ice clean principle at first, mechanism and the related software of the high-pressured water jet flow .This part of con

8、tents simply n arrated the basic prin ciple of the spraying clean, especially in the method of the elimination to clean the dirt on the surface, this was the foun dati on of this paper. Next, deeper from the fluid an gle, we desig n the line con ducts of the no zzle. Once more, through study ing and

9、 con sult ing the procedure which has bee n desig ned. Fin ally we design the GAMBIT model for the designed nozzle and make comparison of the FLUENT computati on, thus exam ine the desig ned procedure.Key words： Spray torch Spray pipe Programe desig n Numerical simulatio nFlue nt第1章緒論1.1 研究的目的和意義清洗作

10、業(yè)一直是工業(yè)及民用領(lǐng)域不可缺少的一個重要行業(yè)。一般清洗方法可分為物理清洗 和化學(xué)清洗兩大類。物理清洗和化學(xué)清洗都有其各自的特點，實際應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)被清洗物體的 情況和清洗要求進行和使用。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，工業(yè)對設(shè)備運轉(zhuǎn)效率及環(huán)境保護的要求，化學(xué)清洗方法的 使用受到了很大的限制。而各種物理清洗方法和技術(shù)得到了快速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其中高壓 水射流清洗技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用最為迅猛和廣泛，已經(jīng)成為清洗行業(yè)中一種主要的清洗技術(shù)。噴槍技術(shù)理所當(dāng)然成為高壓水射流清洗技術(shù)中的主要技術(shù)，噴管型線理論已成為噴嘴及噴 頭中的主要理論。所以，設(shè)計研究性能良好的噴射清洗噴槍，就成為我國清洗技術(shù)的核心問題，也必將為

11、我 國的工業(yè)及環(huán)境保護做出巨大的貢獻。1.2 噴射清洗噴槍的研究現(xiàn)狀噴射清洗噴槍技術(shù)廣泛用于食品加工設(shè)備表面的積炭結(jié)焦，輪船發(fā)動機工作倉、機械和電 器設(shè)備除污，汽車制造業(yè)中舊添膜及密封膠的去除，在不損傷汽車表面汽前提下清除各類標(biāo)貼 和印花，以及電器控制系統(tǒng)的除污除塵，橡膠和塑料加工行業(yè)中擠出機和型模的除污，核工業(yè) 中有害放射性物質(zhì)的清除，電力行業(yè)中變壓器及其他電力設(shè)備在線清洗，印刷行業(yè)中印刷設(shè)備 和復(fù)印機內(nèi)部清洗，醫(yī)藥航空和石油化工中設(shè)備的清洗等。一般清洗用噴槍主要有控制流體或氣體的扳機以及噴管等，為使用方便，有的手持式噴槍 上裝有托架；為了保證安全，還可在操作人員坐的位置的管線上安裝腳踏閥。

12、噴槍有許多種類，根據(jù)噴桿使用的管材不同，可分為剛性噴槍和柔性噴槍。剛性噴槍的噴 桿為鋼管，柔性噴槍的噴桿為高壓軟管。按照噴槍的結(jié)構(gòu)型式上的差異，噴槍可分為短噴槍、 長噴槍、集束噴槍及平衡噴槍 短噴槍。其構(gòu)造小巧，可根據(jù)不同的清洗對象，隨意調(diào)節(jié)成不同形狀的射流，根據(jù)沖擊力大小，可分為軟霧、硬霧和沖擊水柱三中射流。軟霧射流有效射程在0.5米以內(nèi)，打擊力最小，用于清洗玻璃及一般承壓較小的表面；沖擊水柱有效射程可達12米，沖擊力最大，用于清洗黏結(jié)較硬的表面污垢；硬霧射流的射程可在前兩者中間調(diào)節(jié)，用于清洗能承受一定沖擊力的 表面。 長噴槍。除了一般的剛性長噴槍之外，噴頭固定在內(nèi)徑為4.825.4mm的柔

13、性噴桿或剛 性噴桿可以與噴槍連接使用。 集束噴槍。為了進行大面積清洗，可以將噴嘴布置在一個圓柱端面上，或?qū)⑸刃螄娮煲?次排列在一段直管上，同時噴到表面上的多股射流邊沿重疊覆蓋，擴大清洗表面積。 平衡噴槍。這是一種無后坐力噴槍，特別適合高位立面清洗作業(yè)。平衡噴槍的工作原理 是，在噴槍工作噴頭的背面，安裝一個出口向后的噴管。運行時，兩股射流的反擊力相互抵消。1.3 本論文主要工作1. 在查閱和學(xué)習(xí)了大量噴射清洗噴槍理論和方法的基礎(chǔ)上，了解、熟悉了干冰清洗原理和高壓水射流清洗機理，并掌握噴槍的核心一一噴管的設(shè)計原理。2. 在熟悉了本論文使用的一個噴管型線設(shè)計程序的基礎(chǔ)上，用該程序進行算例設(shè)計，并獲得

14、了設(shè)計的結(jié)果數(shù)據(jù)。3. 對所設(shè)計的噴管進行了數(shù)值模擬。首先利用設(shè)計的結(jié)果數(shù)據(jù)在Gambit軟件中建立數(shù)學(xué)模型并進行了網(wǎng)格劃分，然后用 Flue nt進行數(shù)值模擬，最后對數(shù)值計算結(jié)果與設(shè)計程序的參數(shù) 值進行初步分析比較。第2章兩種工業(yè)物理清洗簡介及機理2.1干冰清洗干冰清洗能迅速清除物體表面被燒烤之后所遺留下的污物，而且無有害磨蝕劑或其他溶劑殘留；干冰清洗還可以除去敏感表面殘留污物，甚至可應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)。傳統(tǒng)的清洗方法在航空和電力行業(yè)中的應(yīng)用受到一定的局限，干冰清洗可以解決一些其他 清洗方法難以解決的問題。因干冰清洗無水分及清洗劑殘留，加上干冰清洗設(shè)備有可以調(diào)節(jié)長 度的噴槍，使其在航空和電力兩

15、個領(lǐng)域得到了飛快的發(fā)展。干冰清洗(dry ice blast cleaning)又稱冷噴(clod jet ),是以壓縮空氣作為動力和載體，以干冰顆粒作為被加速的粒子，通過專用的噴射清洗機噴射到被清洗物體表面，利用高速 運動的固體干冰顆粒的運動變化( mV、升華、熔化等能量轉(zhuǎn)換，使被清洗物體表面的污垢、油垢、殘留雜質(zhì)等迅速冷凍，從而凝結(jié)、脆化、被剝離，且同時隨氣流清除。不會對被清洗面，特別是金屬表面造成任何傷害，也不會影響金屬表面的光潔度。干冰清洗的工作原理與噴砂清洗的工作原理相似，也是氣流夾帶固體顆粒的噴射清洗， 也存在固體顆粒一一干冰對污垢表面的磨削、沖擊等作用；而干冰清洗更重要的是干冰的

16、升華會使 污垢迅速地凍結(jié)，從而使污垢脆化、剝離達到清除污物的目的，雖然干冰也是固體顆粒狀，但 它在污垢表面會發(fā)生升華，其硬度遠遠小于噴砂中的砂粒。因此，對被清洗表面的基體不產(chǎn)生 機械損傷。而干冰升華揮發(fā)后以氣體形式返回大氣，不必像噴砂清洗中還需要砂回收過程。如果要清除類似涂料之類的污物，干冰清洗過程將在污物和基礎(chǔ)件之間形成壓縮張力波， 其具有足夠粘附力的能量能夠脫除污物；如果清洗一些類似于油、油脂、臘等具有塑性或粘性 的表面污物，則具有脆化、刷洗作用。具體清洗過程包括：低溫冷凍剝離、吹掃、剝離和沖擊剝離。 低溫冷凍剝離-78.5 C的干冰顆粒作用在被清洗的物體表面時，首先冷凍脆化污物，污物在被

17、清洗的表面上皸裂，由粘彈態(tài)變成固態(tài)，且脆性增大，粘性減小，使之在表面上的吸 附力驟減，同時表面積增大，部分污物可以自動剝離。 吹掃剝離在壓縮空氣作為動力的環(huán)境下，其對脆化了的污物產(chǎn)生剪切力，引起機械斷裂，由于污物與被清洗物表面低溫收縮比差別很大，在接觸面處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，污物在剪切力作用下剝離沖擊剝離干冰顆粒在壓縮空氣動力推動下產(chǎn)生動能（E）和沖擊力（F）:E1 2=mv2式中，m為干冰顆粒質(zhì)量（kg）； v為干冰顆粒在壓縮空氣作用下產(chǎn)生的速率（m/s）。F t = m v， v =w_V2式中，m為干冰顆粒質(zhì)量（kg）； vi為干冰粒沖擊被清洗表面前速率（m/s）; v?為干冰粒沖擊被清洗

18、表面后的速率（m/s）; F為沖擊力（N）; t為沖擊時間（s） o高速的干冰粒碰撞到增大了的污物表面時，將上述動能傳遞給污物，克服已經(jīng)減小了的粘附力。因而產(chǎn)生的剪切力使污物隨氣流卷走，達到了脫除污物的目的。干冰清洗屬于剪切力作用下的污物清洗方法，不會損傷被清洗物表面，與摩擦力作用下的情況 不同。2.2 高壓水射流清洗2.2.1 高壓水射流清洗作用簡述清洗操作在工程上通常包括沖洗、去污、清垢、除銹、除鱗、清潔、疏通及洗消等。在不 同的領(lǐng)域往往有不同的專業(yè)名詞。水射流對物體表面的清洗機理是十分復(fù)雜的。從一般原理上看，水射流清洗是射流對被清洗 物體表面的污垢層的破壞和清除的結(jié)果。當(dāng)高壓水射流正向或

19、切向沖擊被清洗面的污垢時，高壓 水射流具有的沖擊作用、動壓力作用、空化作用以及脈沖負荷疲勞作用等對物體表面將產(chǎn)生沖蝕、 滲透、剪切、壓縮、剝離、破碎，并引起裂紋擴散等效果。這些作用對清洗效果的影響，在不同 條件時可能同時起作用，也可能其中一項或幾項起作用，高壓水對污垢產(chǎn)生的上述各種作用的持 續(xù)時間通常僅為幾分之一微秒左右， 而構(gòu)成對物體表面垢層的物質(zhì)及特性則是多種多樣的。因此, 清洗的效果取決于水射流對這些垢層組織的針對性。高壓水射流對物體表面垢層的影響主要表現(xiàn)為以下幾個方面： 水射流對垢層材料的軟化； 水射流的穿透和滲入，引起垢層材料裂紋的擴展，加劇了垢層的破碎； 高壓水射流的沖擊，造成垢層

20、的局部產(chǎn)生了流變和破裂帶； 高壓水射流的剪切作用使得垢層易于破碎； 高壓水射流的切力和拉力作用使得垢層產(chǎn)生的脆性破壞作用； 高壓水射流沖擊將對污垢產(chǎn)生的剝離作用。高壓水射流或高速水滴沖擊到物體表面后，表面徑向流動過程中將產(chǎn)生較大的剪切力，使 表面垢層受到破壞。對于具有空隙的垢層，射流水在壓力的作用下，在空隙也將產(chǎn)生很高的壓 力，從而使得結(jié)構(gòu)連接削弱，導(dǎo)致垢層的進一步破壞。222 以滲透為主的破碎過程對于水可滲透，即水能滲入垢層之間的孔隙，并對垢層顆粒施加壓力的各類垢層，當(dāng)此壓 力大于顆粒之間的引力時，產(chǎn)生裂紋且一步一步地擴散，后面的射流又直接起壓縮、剪切和水 楔作用，從而使污垢產(chǎn)生裂縫、凹坑到

21、全部剝落。在這個過程中起決定作用的是水的滲透引起 的作用于垢層顆粒上的水壓力，當(dāng)該水壓力足夠克服垢層顆粒之間的黏著力時，垢層顆粒之間 產(chǎn)生裂紋，在后續(xù)射流作用下，裂紋擴散、擴張，并逐步成裂縫，使其剝落。裂紋的擴散方向 和污垢的滲透方向、污垢結(jié)構(gòu)有關(guān)，擴散速度與滲透速度有關(guān)。水射流的壓縮、剪切和水楔作 用也或多或少地促進了污垢破碎，加速污垢剝落，而且污垢破碎、剝落的方向與射流的工作方 向有關(guān)。從滲透到剝落的過程可推知：當(dāng)用水射流沖擊一塊可滲透性垢層時，產(chǎn)生凹坑的速度極限 應(yīng)等于水滲入污垢孔隙的速度。如果射流壓力很低，使作用在垢層顆粒上的水壓力小于其黏著 力，水滲入垢層后，并在其內(nèi)擴展，形成滲水區(qū)

22、；當(dāng)壓力增大，是壓力大于黏著力，垢層顆粒 便從基體上剝離開來，此時誰路產(chǎn)生的壓力型面積始終作用在不同的污垢上。由此可知滲入?yún)^(qū)的部位就是凹坑的極限位置，也可說明滲水區(qū)或多或少地比凹坑超前一定距離。當(dāng)壓力大小已知，射流又不戰(zhàn)勝沖蝕作用，壓力不超過臨界壓力時就能計算出水對垢層顆 粒的作用力，進而確定污垢破碎的臨界壓力。當(dāng)射流速度達到某一臨界值時，將在物料中形成 應(yīng)力波，加速物料破碎，對于垢層這種特殊的物料來說，這個臨界速度很難得到，這主要是由 于成垢條件對垢層的成分、結(jié)構(gòu)影響所致。尋找這一臨界速度對于小射流清洗也不經(jīng)濟。在實 際清洗過程中，在滿足壓力條件下，垢層的破碎已經(jīng)十分迅速，基本上不受射流速度

23、的影響。在清洗中，為提高清洗效率，存在一個最佳橫移速度問題，即射流橫向掃污垢的速度。橫 移速度大，清洗速度快，效率就高，但有可能存在局部清洗不徹底和漏洗的現(xiàn)象。要充分發(fā)揮 射流的水楔作用，使垢層剝離，一般應(yīng)采用較低的橫移速度。對實際操作的橫掃速度而言，確 定具體的參考值意義不大。這主要應(yīng)是根據(jù)污垢層的厚度、污垢性質(zhì)及清洗質(zhì)量要求，由操作 者依據(jù)經(jīng)驗設(shè)定和控制。223 直接壓縮和剪切為主的過程對于軟黏的滲透性的物料垢，主要是通過水壓力直接壓縮和剪切引起破碎應(yīng)力。當(dāng)該應(yīng)力按照一定的規(guī)律超過垢層的強度極限時，垢層將產(chǎn)生裂紋、裂縫，在后續(xù)水射流的水楔等作用 下擴張成坑，最后達到垢層的全部破裂并被沖洗干

24、凈。按照彈性力學(xué)理論，水射流對污垢壓縮和剪切引起的應(yīng)力狀態(tài)為三維空間應(yīng)力狀態(tài)。對此受力情況下的應(yīng)力可按三向應(yīng)力狀態(tài)分析，可根據(jù)強度理論求解射流的壓力，求解時，極限應(yīng) 力可取垢層的強度極限。由于垢層成分、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，沒有詳細的性能應(yīng)力-應(yīng)變等參數(shù)，目前只作為一種定性分析的方法，由實驗確定水射流對垢層沖蝕的壓力情況。此外，垢層成分、結(jié) 構(gòu)各異，從使用的角度來說，建立應(yīng)力-應(yīng)變等參數(shù)值沒有多大的意義。對于非滲透軟垢層，在15MPa高壓水射流的作用下，垢層通?？裳杆俦怀ィ鹦Ч话銉?yōu)于化學(xué)清洗。第3章噴管設(shè)計理論3.1 基本理論在超音速風(fēng)洞中，要產(chǎn)生不同馬赫數(shù)的超音速氣流， 必須滿足三個條件：一是風(fēng)

25、洞的上下 游必須有足夠的壓力比，并且壓力比隨馬赫數(shù)提高而增大；二是實驗段與喉部必須保持一定的 面積比，并且面積比隨馬赫數(shù)而變化；三是必須滿足一定的流量要求。對于第一個條件，以工 作段氣流經(jīng)過正激波直接進入大氣的損失計算，則穩(wěn)定段（即噴管進口）與工作段出口的壓力比如表1所示。對于第二個條件，根據(jù)等熵流公式（1）嘗和勺（才心冃，（為比熱比）(1)氣流在超音速噴管中加速所能達到的馬赫數(shù) M,決定于噴管出口（即工作段）面積 A和喉部面積A*之比。通過改變面積比就可以得到要求的馬赫數(shù)。而喉部面積又受到第三個條件流量的限制，根據(jù)最大流量可以求得最大喉部面積 A*max(2)* mAmax - Pam為最大

26、質(zhì)量流量，為喉部空氣密度，a為喉部氣流速度（音速）。下面分別就噴管的收縮段 和擴張段的設(shè)計進行說明。表1工作段馬赫數(shù)與噴管進出口壓力比的關(guān)系M1.522.53壓力比1.491.742.43.563.2 收縮段設(shè)計根據(jù)超音速噴管的設(shè)計要求，到達喉部的高速流必須是均勻的亞音速，收縮段是將穩(wěn)定段 來的氣流均勻加速至音速。經(jīng)驗證明，如果穩(wěn)定段來流是均勻的，只要穩(wěn)定段相對于喉部的截 面積收縮比足夠大，則采用一條光滑連續(xù)而有漸變的收縮曲線就能基本滿足要求。R*(A*)圖1 收縮段設(shè)計圖示收縮段如圖1所示。進口處面積為 A,馬赫數(shù)為M;出口處為喉部面積為A*，馬赫數(shù)為1。收縮段長為L,x從0至V 1，表示從

27、進口開始的相對距離。設(shè)沿軸向的馬赫數(shù)梯度為dM=Ksin2：x。 dx當(dāng)x=0和x=1時，眷0。表示氣流在收縮段進出口處的加速度為零。K為系數(shù)，其值取決于氣流經(jīng)過收縮段的馬赫數(shù)增量積分上式得:Mx2mM 二 oKsinxdx，即K1M - M 1 (x sin 2二x)2 -當(dāng) x=1 時，M =1，因而 K =2(1-MJM =(1 -MJ(x - 丄si n2：x) M12(3)根據(jù)（1）式面積比公式，若 A和A給定，則M為已知，則由（3）式可計算任意x處的M值，再根據(jù)（1）式，可計算出當(dāng)?shù)亟孛娣e，因而收縮曲線可求得。3.3 擴張段設(shè)計圖2 擴張段設(shè)計圖示根據(jù)噴管設(shè)計的Foelsch方法，

28、理想氣體軸對稱噴管擴張段分為如圖2所示的三個區(qū)域:I區(qū)氣體是從原點發(fā)射出的泉流，U區(qū)將泉流整流直到川區(qū)，川區(qū)氣流為具有相同馬赫數(shù)的平 行均勻流。在I區(qū)中氣流以原點 O作為中心，成輻射形泉流，r =r相當(dāng)于喉道處的情況，rr處是超音速流。各點的速度、馬赫數(shù)和 r的關(guān)系為:*2rr警（A弓1刖(4)a*為喉道音速，利用參考長度r*，參考速度a*進行無因次化:r* =R，V* =WraY +1給定，空氣是理想氣體時，=1.4，因此:=6，（4）式化為:R 二1 .256加1(5)可得馬赫數(shù)M和速度比W之間的關(guān)系:(6)W2 = 6M2M +5若B點馬赫數(shù)已知，由（6）式得 W,再代入（5）式，可求出

29、B點半徑根據(jù)經(jīng)驗，B點馬赫數(shù)選為比C點馬赫數(shù)差0.2。由圖2可得:一2屆心葆材-arct an6(W 2 -1)6 -W 2I26(Wb -1)當(dāng)W=V時，二=0，所以:WB2 - arctan.26 -WB, 6 -WB對于A點，其位置與選擇的最大膨脹角 二a有關(guān)，二a又與工作段馬赫數(shù)有關(guān)，其關(guān)系如表 2所示。表2 不同工作段馬赫數(shù)下最大膨脹角的取值M1.5 2340A /()358將二a N等分，根據(jù)（7）式、（5）式可得BA線上各點的R值，進而可求出BA線上各點坐 標(biāo)及相應(yīng)點氣流參數(shù)。軸線上原點至B點的速度分布由（5）式給出，而C點的馬赫數(shù)是設(shè)計馬赫數(shù)。那么，若我們假定，B點和C點的速度

30、分布滿足一個三次式:(8)其中此三次多項式滿足的邊界條件為:X =0 時W=W，X -1 時W=W，并由X -XbXc _XbdWdXdWdXf-xB)譽BW=a0 aX a2x2 a3x3(9)(10)3(Wc -Wb) = (Xc -Xb)(羅)bdX選定Xc的值，把這些邊界條件代入（8）式，經(jīng)簡化得:W =WB 3（Wc WB ）x -3（WC -Wb）X2 （Wc -Wb）X3這樣一來，B點和C點的位置可以定出，參數(shù)也已知。而通過C點的左特征線為直線，此特征線上馬赫數(shù)為設(shè)計馬赫數(shù)。因此特征線端點E容易定出，將AB,BC,CE作為邊界條件，利用三元特征線理論就可以求出它們構(gòu)成的整個特征線

31、網(wǎng)西北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文3.4 特征線法簡述圖3 特征線法圖示-i17 -軸對稱噴管中，氣流特性是對稱于中心軸的，可以只研究通過中心軸的xy平面的流態(tài)就決 定了整個噴管的流態(tài)。如圖3所示，左已知點定為Pi（xi,yi）,右已知點定為P2（X2,y2），經(jīng)R的左 特征線和經(jīng)P2的右特征線交點為P3（X3, y3）。則P3坐標(biāo)為：丫3 一 yi -(xXi)tan(R3 T3)，丫3 一 丫2 =（X3 X2）ta門（二23 -23）其中r為氣流和x軸的夾角，J為馬赫角U. i.6-Wpi2氣 =arcsin =arcsin 廠 ，M 1丫 5Wpi流向角和速度比W之間有下列關(guān)系式：rcs亠 a

32、rcsin 叫M 2V 5Wp2513嚳W3sigsin% y3 -yisin-i3)yi3(ii)73 2 = -cot ,3（W/-W2 sinsina % -y2W23si門佻一D y?3上述幾個方程可以聯(lián)立求解?！癷3”和“23”分別表示Pi、P3之間和R、P3之間的平均值,當(dāng)Pi、P2在BC線上時，yi=0、y2=0，同時二i=0、二2=0。因此，（）和（i2）式右邊的第二項成 為不定值。在BC附近近似泉流，所以：L=y1mTTnsiX0srn1 +1 ey3 -力yi=lim 3 十-3 y 0yilim S吹2S吋 2 %一0 sin2)y2S) 3y2因此，對應(yīng)yi =y2=0

33、的場合，米用下列二式求解:西北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文-31 -COt 叫3COt .3COt. = 3COt._J231 COtP13“2 W13DW|3W23實際運算中，初始13、23、W3、W 分別用Pl, P2值代入計算，然后逐次迭代提高計算精度，從AB BC CE上已知點出發(fā)進行計算，就可以求得整個噴管內(nèi)的特征線網(wǎng)3.5 噴管型線的確定及附面層修正在軸對稱噴管設(shè)計中，只要給出過中心軸的半縱截面坐標(biāo)，噴管的形狀也就唯一確定了。由（1）和（3）式可計算出任意截面處的截面積，求得各截面圓的半徑，即y坐標(biāo)值，x坐標(biāo)可由相對坐標(biāo)乘以給定的長度 L得到，L可在設(shè)計過程中根據(jù)實際情況加以調(diào)整。擴張段I

34、區(qū)中 TA的確定，采用圓弧加直線的方法。直線 0A與x軸的夾角為最大膨脹角 ，在0A的適當(dāng)位置 取一點N, T點與A點的連接采用圓弧TN和直線NA 般使TN的半徑為510倍的喉道半徑。 U區(qū)中AE的確定采用流線追蹤法，AE實際上就是噴管中的一條流線，ABCE勺流場在前面的計 算中已經(jīng)得到，A點的坐標(biāo)和流動參數(shù)已經(jīng)知道，從A點開始沿氣流角向前找與下一特征線的 交點，新點的坐標(biāo)和流動參數(shù)采用相鄰兩點作線性插值獲得，這樣就可以得到一條流線AE。至此理想氣體超音速噴管的整個型線就確定了。表3 不同工作段M數(shù)下附面層修正角的取值M1.5 46810B/ ()0.50.71.52如果噴管按上述型線加工，而

35、不經(jīng)過附面層修正，則必然會出現(xiàn)兩個問題，一是由于壁面存在粘性附面層，并且其厚度不斷增加，因而改變了波系的形狀，使達到噴管出口時得不到均勻的氣流；二是附面層的存在減小了有效的流通面積，改變了面積比，使噴管達不到設(shè)計的馬赫數(shù)。因此必須對噴管型線加以修正。基于現(xiàn)在附面層理論還不很完善，且計算復(fù)雜，工程上* 、 *常采用一種相對簡便的修正方法。它認為位移厚度、沿軸向是線性發(fā)展的，即存在x =xtan B， 式中: x*是x點的位移厚度，B跟工作段馬赫數(shù)的值有關(guān)，可以按表3取值。雖然方法較為粗糙，但仍能得到相當(dāng)滿意的結(jié)果3.6 小結(jié)本文噴管的布置方式為對噴式，每臺設(shè)備采用兩個噴管，總流量為18mVmin

36、，噴管出口馬赫數(shù)為2.5，最大進口壓力為0.8MPa對于實驗?zāi)Ｐ?，我們?nèi)『聿堪霃綖?0mn進行設(shè)計，為了 能使氣流平穩(wěn)加速至音速，收縮段的收縮比取為 10,擴張段按出口馬赫數(shù)2.5進行設(shè)計。第4章噴管設(shè)計程序介紹及算例設(shè)計4.1 噴管型線程序設(shè)計噴管計算程序主要由三部分構(gòu)成，分別為收縮段計算程序、擴張段計算程序和后處理程序 本程序可完成對三元軸對稱噴管的設(shè)計，得到噴管型線上各點的坐標(biāo)。4.1.1 擴張段計算程序（具體程序見附錄1）程序變量：PI-一圓周率（3.1415926）;GAMA氣體常數(shù)（=1.4 ）;RHOU喉部截面半徑（與收縮段中 ACHUg致）；T0-一常溫值（=293）;VB-一

37、實驗段馬赫數(shù)對應(yīng)的普朗特一邁耶角（與工作段馬赫數(shù)有關(guān)）VB 壬：(1)/( -1) arctan (M -1)( -1)/(1) - arctan M -1 ；MIU出口馬赫角（-arcsin（1/M），與工作段馬赫數(shù)有關(guān)）;FU-一附面層修正角。輸出文件：RESLUT.DAT擴張段型線坐標(biāo)，供后處理程序使用4.1.2 收縮段計算程序（具體程序見附錄2）子 函數(shù)：QIUM（BI），根據(jù)計算點面積與喉部面積的比值求出計算點處的馬赫數(shù)。 程序變量：PI 圓周率（3.1415926）；N收縮段上所取得作標(biāo)點數(shù)目;AJIN收縮段進口處截面積；MJIN收縮段進口處氣流馬赫數(shù);ACHU 收縮段出口（噴管喉

38、部）處截面積；MCHU 收縮段出口（噴管喉部）處氣流馬赫數(shù)（MCHU=1;L收縮段長度；A收縮段計算點處截面積；M收縮段計算點處氣流馬赫數(shù)。輸出文件：SHOUSUO.DAT :收縮段型線作標(biāo)值，供后處理程序使用4.1.3 后處理程序（具體程序見附錄3）將收縮段型線坐標(biāo)與擴張段型線坐標(biāo)合并得到整個噴管的型線坐標(biāo)。文件說明：SHOUSUO.DAT 收縮段型線坐標(biāo)；RESLUT.DAT 擴張段型線坐標(biāo)；ZUIZHONG .DAT 整個噴管的型線坐標(biāo)。按順序分別運行收縮段（SHOUSUO）.F擴張段（PENGUAN）F和后處理（POST.F程序，即 可得到ZUIZHONG.DAt件，此文件為整個噴此文

39、件管型線的坐標(biāo)值。其中第一列數(shù)據(jù)為X坐標(biāo) 值，第二列數(shù)據(jù)為丫坐標(biāo)值。沿噴管軸線為X軸方向、周向為丫方向，坐標(biāo)原點為收縮段進口。 在收縮段程序中，需要用戶根據(jù)提示輸入喉部半徑值（ mr）在段擴張程序中，需要用戶根據(jù)提 示輸入喉部半徑值（mr）噴管出口馬赫數(shù)。4.2 算例計算結(jié)果輸入吼道半徑5mm出口馬赫數(shù)2.5,得程序計算結(jié)果，見附錄5。第5章數(shù)值模擬5.1 FLUENT軟件簡介FLUENT軟件是用于計算流體流動和傳熱問題的程序。它提供的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，對相對復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效?？梢陨傻木W(wǎng)格包括二維的三角形和四邊形網(wǎng)格；三維的四面體，六面體及混合網(wǎng)格。FLUENTS可以根據(jù)計算

40、結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對 于精確求解有較大梯度的流場有很實際的作用。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整只是在需要加密的流動 區(qū)域里實施，而非整個流場，因此可以節(jié)約計算時間。(一) 程序結(jié)構(gòu)FLUENTS序軟件包由以下幾個部分組成：(1) GAMBIT用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格生成；(2) FLUENT用于進行流動模擬計算的求解器；(3) PrePDF用于模擬PDF燃燒過程；(4) Tgid用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格；(5) Filters 轉(zhuǎn)換其他程序生成的網(wǎng)格，用于 FLUENTS算。(二) FLUENT程序可以求解的問題FLUENTS件可以采用三角形、四邊形、四面體、六面體及其混合網(wǎng)格。 F

41、LUENTS件可以計 算二維和三維流動問題，在計算過程中，網(wǎng)格可以自適應(yīng)調(diào)整。 FLUENTS件的應(yīng)用范圍非常廣 泛，其主要范圍如下：(1) 可壓縮和不可壓縮問題；(2) 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動問題；(3) 無黏流，層流及湍流問題；(4) 牛頓流體及非牛頓流體；(5) 對流換熱問題(包括自然對流和混合對流)；(6) 導(dǎo)熱與對流換熱耦合問題；（7）輻射換熱；（8）慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動問題模擬；（9） 用Lagrangian軌道模型模擬稀疏相（顆粒,水滴,氣泡等）；（10）一維風(fēng)扇，熱交換器性能計算；（11）兩相流問題；（12）復(fù)雜表面形狀下的自由面流動問題。（三）用FLUENT程序求解問題的

42、步驟利用FLUENT件進行求解的步驟如下：（1） 確定幾何形狀，生成計算網(wǎng)格（用 GAMBIT也可以讀入其它指定程序生成的網(wǎng)格）；（2）輸入并檢查網(wǎng)格；（3）選擇求解器（二維或三維等）；（4）選擇求解的方程：層流或湍流（或無粘流），化學(xué)組分或化學(xué)反應(yīng)，傳熱模型等。確 定其他需要的模型，如：風(fēng)扇、熱交換器、多孔介質(zhì)等模型；（5）確定流體的材料物性；（6）確定邊界類型及其邊界條件；（7）條件計算控制參數(shù)；（8）流場初始化；（9）求解計算；（10）保存結(jié)果，進行后處理等。（四）關(guān)于FLUENT解器的說明（1）FLUENT 2D二維單精度求解器；（2）FLUENT 3D三維單精度求解器；（3）FLUE

43、NT 2dd二維雙精度求解器;（4）FLUENT 3dd三維雙精度求解器。（五）FLUENT求解方法的選擇（1）非耦合求解；（2）耦合隱式求解；（3）偶合顯式求解。非耦合求解方法主要用于不可壓縮或低馬赫數(shù)壓縮性流體的流動，耦合求解方法則可以用 在高速可壓縮流動。FLUENT默認的設(shè)置是耦合求解，但對于高速可壓流動，或需要考慮體積 力（浮力或離心力）的流動，求解問題時網(wǎng)格要比較密，建議采用耦合隱式求解方法求解能量 和動量方程，可較快的得到收斂解。缺點是需要的內(nèi)存比較大（是非耦合求解迭代時間的1.52.0 倍）。如果必須要耦合求解，但機器內(nèi)存不夠是，可以考慮用耦合顯式解法器來求解問題，該解 法器也

44、偶合了動量、能量及組成方程，但內(nèi)存卻比隱式求解方法小，缺點是收斂時間比較長。5.2 用Gambit建立模型利用上一章的程序，輸入喉道半徑5mn和馬赫數(shù)2.5,得出一系列點（x,y,z）。將這些點導(dǎo)入GAMBI嗽件中，顯示的各點如圖4所示。圖4 噴管型線上的點將上面各點連接成線，再去除那些點得到如圖 5所示的一條線（即噴管型線）圖5噴管型線再將上圖的曲線繞x軸旋轉(zhuǎn)一，并選擇個面，并構(gòu)成體，再畫出網(wǎng)格，得出三維網(wǎng)格。如2圖6。圖6 噴管的一半網(wǎng)格4.3 用Flue nt軟件進行數(shù)值模擬將網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENTS件中，先把在Gambit軟件中建立的半個網(wǎng)格對對稱面對稱一次可以 得到整個網(wǎng)格（在附錄4中

45、）。其中邊界條件設(shè)置注意，進口總壓設(shè)置為6個大氣壓，出口總壓為1個大氣壓。，得出噴管 內(nèi)的馬赫數(shù)分布（在附錄4中），可以看出喉道出的馬赫數(shù)達到1,并且出口附近的馬赫數(shù)達到 2.51。第6章結(jié)果分析本論文利用已有的程序，在可執(zhí)行程序中輸入喉道半徑5mm輸入出口馬赫數(shù)2.5，得到管道曲線。再利用GAMBIT建立模型和網(wǎng)格，在FLUENT軟件（3D）中迭代計算出結(jié)果，得出馬赫 數(shù)分布圖，F(xiàn)LUENTS值模擬計算的結(jié)果顯示出最高馬赫數(shù)為 2.51。最后，本論文所述的程序計 算的計算結(jié)果與用FLUENT商業(yè)軟件計算出結(jié)果兩者誤差只有 0.4%，另外，在馬赫數(shù)分布圖中， 馬赫數(shù)是非常均勻的沿x軸方向逐漸增

46、加，這些都充分驗證了本論文中程序的正確性與精確性。從本論文開始到完成，一直都受到席老師的教導(dǎo)，席德科教授認真嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，使作 者獲益匪淺，在此致以誠摯的感謝！此外，師哥韓非飛同學(xué)教我使用軟件，研究生張勝利給了 大量的修改意見，在此對他們表示感激！參考文獻1 楊林，唐川林，張鳳華，高壓水射流技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，洗凈技術(shù)，2004, 2 (1): 914.2 盧曉江，何迎春，賴維，高壓水射流清洗技術(shù)及應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社，NO.1,2006.3 薛勝雄，高壓水射流清洗技術(shù)及應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社4 韓占忠，王敬，蘭小，F(xiàn)LUENTS體工程仿真計算實例與應(yīng)用，北京理工大學(xué)出版社.李玉柱，苑明順，流體

47、力學(xué)，高等教育出版社沈忠厚著，水射流理論與技術(shù)，北京：石油大學(xué)出版社，1998.7 阿勃拉莫維奇，實用氣體動力學(xué)，梁秀彥譯，北京：高等教育出版社，1995.8 徐華舫，空氣動力學(xué)基礎(chǔ)，北京：國防工業(yè)出版社.9 (英)羅姆哈姆著，偉大的科學(xué)實驗，廖啟端譯，北京：科學(xué)普及出版社，1985.10 Reshhoto,E.,Tucher,M.:Approximate Calculatio n of Compressible Bonu drary-LayerWith Heat Tran sfer and Arbitrary Pressure Gradie nt,NACA TN 4.附錄1 :擴張段計算程序

48、PROGRAM PENGUAN1PARAMETER(PI=3.1415926)PARAMETER(GAMA=1.4)PARAMETER(T0=293)PARAMETER(N=100)PARAMETER(MN=50)C附面層修正角FUPARAMETER(FU=0.5*PI/180)REAL R,AHOU,V,CHOU,ARFA,ACHU,MIUC,RTREAL RR,RRB,RRCREAL W(100),M(100),THETA(100)REAL W1(0:N,0:N),W2(0:N,0:N),W3(0:N,0:N),W4(0:N,0:N)REAL M1(0:N,0:N),M2(0:N,0:N)

49、,M3(0:N,0:N),M4(0:N,0:N)REAL THETA1(0:N,0:N),THETA2(0:N,0:N),THETA3(0:N,0:N)*,THETA4(0:N,0:N)REAL MIU1(0:N,0:N),MIU2(0:N,0:N),MIU3(0:N,0:N),MIU4(0:N,0:N)REAL RR1(0:N),RR2(0:N)REAL XTA(0:MN-1),YTA(0:MN-1),XN,YNREAL XNA(0:MN-1),YNA(0:MN-1),XT,YT,XA,YA,XM,YM,BANJING,AMT1,*AMT2,AMTFREAL X(0:N),Y(0:N),XZ

50、0NG(0:2*N),YZ0NG(0:2*N),THETAZ0NG(0:2*N)REAL X1(0:N,0:N),X2(0:N,0:N),X3(0:N,0:N),X4(0:N,0:N)REAL Y1(0:N,0:N),Y2(0:N,0:N),Y3(0:N,0:N),Y4(0:N,0:N)西北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文REAL MB,MC,WB,WCREAL XB,XC,XBAR,YEINTEGER K REAL H1,H2,WAREAL MEXIT,RHOU,VB,MIU0PEN(5,FILE=RESLUT.DAT)WRITE(*,*)請輸入喉部半徑值：READ(*,*) RHOUWRITE(*,*

51、)請輸入噴管出口馬赫數(shù)：READ(*,*) MEXITC根據(jù)出口馬赫數(shù)計算其對應(yīng)的普朗特-邁耶角和馬赫角VB=(SQRT(GAMA+1.0)/(GAMA-1.0)*ATAN(SQRT(GAMA-1.0)/(GAMA+1.0)*$ (MEXIT*2-1.0)-ATAN(SQRT(MEXIT*2-1.0)*180/PIMIU=ASIN(1.0/MEXIT)*180/PIC 計算BA線上各點MC=MEXITWC=SQRT(6.0*MC*2.0/(MC*2.0+5.0)P=6.0*MC*2.0MB=MC-0.2ARFA=(GAMA+1)/(GAMA-1)C 確定B點WB=SQRT(6*MB*2/(MB

52、*2+5)RRB=1/SQRT(WB)*(5/(6-WB*2)*1.25THETAA=0.25*VB*PI/180H1=1.0/2.0*(SQRT(6.0)*ATAN(SQRT(WB*2-1)/(6-WB*2)-*ATAN(SQRT(6*(WB*2-1)/(6-WB*2)C參考長度R*R=RHOU/THETAAC 確定AB上各點參數(shù)DO 100 I=0,NZHONG=0.0+I*THETAA/NTHETA1(0,I)=ZHONGWRITE(*,*) THETA1(0,I),WBW1(0,I)=QIUW(THETA1(0,I),WB)M1(0,l)=SQRT(5.0*W1(0,l)*2/(6-W

53、1(0,l)*2)RR1(l)=1/SQRT(W1(0,l)*(5/(6-W1(0,l)*2)*1.25WRITE(*,*) W1(0,l)X1(0,I)=RR1(I)*COS(THETA1(0,I)Y1(0,I)=RR1(I)*SIN(THETA1(0,I)WRITE(*,*) X=,X1(0,I)MIU1(0,l)=ASIN(SQRT(6.0-W1(0,l)*2)/5.0/W1(0,l)*2)WRITE(*,*) l=,l, RR1(I)=,RR1(I)100 CONTINUEC 確定TA線上各點：CTA分為圓弧TN+直線NAC確定N點-35 -西北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文XT=1.0YT=R

54、HOU/RXA=X1(0,N)YA=Y1(0,N)XN=(1.0*XT+1.0*XA)/2.0YN=YA+TAN(THETAA)*(XN-XA)C 確定TACALL QIUR(XN,YN,XT,YT,XM,YM,BANJING)WRITE(*,*) XT=,XT, R=,R, THETAA=,THETAAWRITE(*,*) XM=,XM, YM=,YM, BANJING=,BANJINGWRITE(*,*) BANJINGAMT1=ASIN(XN-XM)/BANJING)AMT2=ASIN(XT-XM)/BANJING)WRITE(*,*) XM,YM,BANJING,(AMT1-AMT2)DO 90 I=1,MN-1AMTF=AMT2+I*(AMT1-AMT2)/MNXTA(I)=XM+BANJING*SIN(AMTF)YTA(I)=YM-BANJING*COS(AMTF)WRITE(*,*) I*(AMT1-AMT2)/MNWRITE(